표준 냉동사이클

개념과 원리

표준 냉동사이클은 실제 냉동장치의 복잡한 손실을 단순화하여 압축기·응축기·팽창밸브·증발기의 기본 작동을 해석하는 이상적인 증기압축 냉동사이클입니다. 공조냉동 실기에서는 P-h 선도와 엔탈피 계산의 기준이 되는 가장 중요한 기본사이클입니다.

상태점을 압축기 입구 1, 압축기 출구 2, 응축기 출구 3, 팽창밸브 출구 4로 두면 과정은 1→2 압축, 2→3 응축, 3→4 팽창, 4→1 증발 순서로 진행됩니다.

① 1→2 압축
증발기에서 나온 저압 냉매증기를 고압으로 압축하는 과정입니다. 표준사이클에서는 압축을 이상적인 등엔트로피 압축으로 취급하며, 압축기에서 외부 일이 공급되므로 엔탈피가 증가합니다.

② 2→3 응축
고온·고압 냉매가 응축기에서 외기나 냉각수에 열을 방출하여 액체가 되는 과정입니다. 표준사이클에서는 응축기 내부의 압력손실을 무시하여 등압 응축으로 취급합니다.

③ 3→4 팽창
고압 액냉매가 팽창밸브를 통과하여 저압으로 낮아지는 교축과정입니다. 외부와의 일 교환을 무시하는 표준 계산에서는 등엔탈피 과정으로 보아 h₃=h₄로 둡니다.

④ 4→1 증발
저온·저압 냉매가 증발기에서 냉각 대상의 열을 흡수하며 증발하는 과정입니다. 표준사이클에서는 증발기 압력손실을 무시하여 등압 증발로 취급합니다.

표준사이클에서는 열교환기와 배관의 압력손실, 외부와의 불필요한 열교환, 실제 압축기의 비가역성 등을 생략합니다. 따라서 실제 장치와 완전히 같지는 않지만 냉동효과, 압축일, 응축열, COP의 관계를 이해하고 계산하는 기준으로 사용됩니다.

표준 냉동사이클은 실제 장치의 복잡한 변화를 단순화하여 계산하기 위한 기준 사이클이다. 압축기 흡입은 건포화증기, 응축기 출구는 포화액으로 보고 과열도와 과냉각도는 별도로 주어지지 않으면 고려하지 않는다.

풀이 순서
증발·응축온도로 압력을 정하고 → 각 상태점의 엔탈피를 읽고 → 냉동효과·압축일·응축열·COP를 계산한다.

표준 냉동사이클에서 h₁=410, h₂=460, h₃=h₄=260 kJ/kg이고 냉매 질량유량이 0.08 kg/s라고 하겠습니다.

① 냉동효과
qₑ=h₁-h₄=410-260=150 kJ/kg

② 냉동능력
Q̇ₑ=ṁ(h₁-h₄)=0.08×150=12 kW

③ 압축일량
w=h₂-h₁=460-410=50 kJ/kg

④ 압축동력
Ẇ=ṁ(h₂-h₁)=0.08×50=4 kW

⑤ 응축기 방열량
Q̇c=ṁ(h₂-h₃)=0.08×(460-260)=0.08×200=16 kW

⑥ 냉동기 COP
COP=냉동능력÷압축동력=12÷4=3.0

에너지수지로 검산하면 냉동능력 + 압축동력 = 응축기 방열량이므로 12+4=16 kW가 되어 일치합니다.

실기에서는 상태점 번호가 다르게 주어질 수 있으므로 번호 자체를 외우기보다 각 상태점이 어느 기기의 입구와 출구인지 먼저 확인한 뒤 엔탈피 차를 적용하는 것이 안전합니다.

① 표준 냉동사이클은 실제 운전상태를 그대로 나타낸 것이 아닙니다.
실제 압축기에는 효율손실이 있고 배관·열교환기에도 압력손실이 발생합니다. 표준사이클은 이러한 요소를 단순화한 계산모델입니다.

② 팽창밸브에서 엔탈피가 줄어든다고 계산하면 안 됩니다.
표준사이클의 교축과정에서는 h₃=h₄로 봅니다. 압력과 온도는 낮아지지만 엔탈피는 일정하게 취급합니다.

③ 증발기와 응축기의 열량식을 반대로 적용하지 마세요.
증발기 냉동효과는 일반적으로 h₁-h₄, 응축기 방열량은 h₂-h₃입니다.

④ 냉동효과와 냉동능력을 구분하세요.
냉동효과는 냉매 1 kg당 흡열량(kJ/kg)이고, 냉동능력은 여기에 질량유량을 곱한 단위시간당 열량(kW)입니다.

⑤ 상태번호는 문제마다 달라질 수 있습니다.
공식만 번호와 함께 외우기보다 압축기·응축기·팽창밸브·증발기의 입출구 관계를 먼저 확인해야 합니다.